基于单片机的智能路灯设计

冯哲　田莎莎

摘要：传统的手动控制路灯已不能满足市场和社会的需求，而单片机以其体积小，价格低廉等优点在各个自动控制领域受到人们青睐。本系统采用AT89C52单片机和其他外围电路实现了智能控制路灯，本系统可以根据光线的明暗自动开关路灯，还可以实现节能控制和定时控制。该路灯照明系统更加实用，方便人们出行安全，达到了节能环保的目的。

关键词：单片机；光照；智能控制；节能

中图分类号：TP274

文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2017）10-0138-04

随着经济和技术的发展，城市照明设施的功能从简单的照明发展到了美化环境，改善城市形象。单片机以其体积小，价格低廉被广泛运用于智能控制领域。因此用单片机进行路灯的智能控制既可以提高路灯控制系统的性能，又可以在一定程度上减少能源消耗。

据统计中国已经安装了大约有2亿盏路灯，并以每年2000万盏的速度增加。另外，我国大部分地区都采用人工或定时控制，全国如此多的路灯，开关控制也占用了大量的人力，而在定时控制上也有许多不合理的部分，冬夏季节的白天黑夜时间相差较大，只使用定时控制并不能解决这个问题，时时出现天还没黑路灯已在工作，冬天早晨天还未完全亮，而路灯已经熄灭，以及阴雨雾霾天气造成的能视度太低这样的特殊问题，大大影响了人们的日常出行，并间接导致交通意外的增多。本设计通过使用AT89C52单片机对路灯进行智能控制，让系统根据光照的强弱来自动开关路灯，达到节约电能并确保在需要的时候方便正确打开和关闭路灯。

1.AT89C52简介

AT89C52是美国ATMEL公司生产的高性能、低电压和低功耗的8位单片机，片内置Flash存储单元和通用的8位CPU，功能强大，在许多控制场合都可以使用。

AT89C52单片机一共有四十个引脚，本次设计中主要用到的单片机引脚介绍如下：

1）XTALl，XTAL2，RST这三个引脚用于单片机的晶振复位；

2）P2.1引脚连接光电检测电路，为单片机提供光电检测的信号；

3）P0.1-P0.7，P2.4-P2.6引脚连接LED显示时间；

4）P3.0-P3.3引脚用于连接按键模块，调节当时时间和定时时间；

5）P3.4-P3.6引脚连接实时时钟模块，用于提供实时信息；

6）PI.O，P1.1，P1.2，P2.2和P2.3五个引脚连接路灯的驱动电路，控制路灯的打开关闭。

2.光控路灯的设计与概括

智能路灯系统的电路部分包括：主控制器、时钟、光线检测、液晶显示和按键，其需要实现的功能为：

1）根据光照的强弱智能打开关闭路灯。

21可以用按键设置时间，实现定时开关路灯。

3）在凌晨之后实现隔一亮一效果，避免浪费电资源。

如图1所示，主控制器模块的核心是AT89C52系列单片机；液晶显示模块采用LCD液晶，其功耗小，可直接与单片机连接，使用起来简单方便；光线检测模块采用光敏电阻反映外部光照强度，与电压比较器组成光电检测电路；时钟模块采用专用的时钟芯片，提供实时的时间信息，单片机可以直接读取芯片中的时钟信息，节约系统资源；按键控制模块采用X4独立键盘，较为经济实惠和简洁方便。

3.电路设计

3.1晶振电路

如图2所示为晶振电路，单片机要能正常工作，必须要使用时钟进行驱动，ATM89C52自带一个时钟振荡器，但是单片机内部振荡电路不稳定，需要外接一个振荡源才能起振，所以单片机的晶振频率是由外部振荡源决定的，大多数电路中的外部振荡源选择使用石英晶体振荡器，在这里也使用了石英晶体振荡器，将振荡器两端接到单片机的XTALl与XTAL2引脚。

AT89C52单片机的第9号引脚RST为硬件复位端，如图2所示，这里采用点触开关进行手动复位，当按下电路中的按键时，电容C3放电，对RST输出高电平，将单片机复位。

3.2光电检测电路

光电检测电路使用光敏电阻反映外部环境的光照强度，利用了光敏电阻在不同光照强度下呈现不同阻值的特点。如下图3所示，使用LM393组成一个比较电路，作为光电检测电路的接收信号端，它的内部具有两个比较器，1、2、3号引脚为一组，5、6、7号引脚为另一组。8、4号引脚分别接电源和地。图3中用滑动变阻器来模拟光照强度的改变。当光线变强的时候，光敏电阻的阻值变小，滑动变阻器阻值下调，由于总电压不变，导致光敏电阻上面分得的电压变小，R3承担大部分电压，同相输入端电压高于反相输入端，输出管截止，输出高电平给单片机P2.1口，此信号是用于控制路灯开关的一个条件。反之，当光线暗的时候，光敏电阻的阻值变大即滑动变阻器上调增大电阻，同相输入端电压低于反相输入端，输出管导通，输出低电平给单片机P2.1口。

3.3LCD液晶显示电路

设计采用1602液晶器，该液晶显示器体积较小，重量很轻。液晶显示1602与单片机的连接如图4所示，当前时间以及定时时间由单片机传递给1602液晶显示屏，由液晶显示屏显示出来。

3.4DSl302时鐘芯片电路

时钟模块由DS1302芯片实现，向单片机提供实时时间信息，DS1302上电工作时，必须把复位脚置为1，且将地址和命令送人寄存器中才能把数据初始化。它有VCCl，VCC2两个电源引脚，当给VCC2加入5V电源时，时钟芯片开始工作；关掉电源时，VCCl供电，可以防止断电丢失时间日期数据，使时钟能够连续运行。

如图5所示，DSl302的5，6，7号引脚分别接单片机的16，15，14号引脚。在凌晨和早晨五点，会通过这三个引脚给单片机发出信号，让单片机做出相应的置位操作来改变控制电路开通关断。

3.5按键电路

按键电路有四个功能：设置当前时间、设置开关路灯时间、数字加一、数字减一。如图6所示，按键与单片机的P3.0，P3.1，P3.2和P3.3四个引脚相连接。当按下第三个按键时，进入当前时间设置程序，第一个设定值“年份”开始闪烁，此时前两个按键用来调整年份数值的加一或者减一，调到正确值时，再次按下第三个按钮，“年”恢复常亮，“月”开始闪烁等待设置，依此类托。按下第四个按键，进入定时时间设定，开灯时间的“时”开始闪烁等待设置，设置方法与调整当前时间一致。

3.6路灯控制电路

路灯控制电路是整体电路中最重要的部分，起控制作用的元件是单片机，其控制功能主要通过指令来实现。

如图7所示，控制电路由单片机，发光二极管以及驱动电路组成。当路灯打开或者关闭条件达到时，单片机置位P1.0，P1.1，P1.2，P2.2和P2.3五个引脚的数值，根据这五个数值来实现路灯驱动电路的导通或截止，从而控制路灯的开通关断。

在光线不足的情况下，光电检测电路比较器的反相输入端高于同相输入端，LM393的1号引脚输出低电平，三极管饱和，检测信号通过P2.1口输入单片机，在一定的延时后，无论定时时间是否到了，单片机都会使五个路灯控制口为00000，使路灯驱动电路工作，打开路灯。这就有效地防止了雾霾，沙尘暴等恶劣天气导致能视度不足的情况。

凌晨时，路上行人明显减少，这时候开启所有路灯就显得过于浪费。所以当定时器计时到凌晨时，程序中当前时间数组的时分秒存储单元数值为00，单片机发出置位信号，把P1.0，P1.1，P1.2，P2.2和P2.3五个控制路灯接口信号改为01010。让路灯开启“隔一个亮一个”的模式，达到既能提供正常照明，又节能环保的目的。

在定时部分，打开时间是18：30：00，关闭时间是05：00：00。当天亮时，光照强度慢慢增加，考虑到早晨五点，光照已经能够正常照明。单片机会把这五个路灯接口信号全部写为11111，驱动电路不工作，路灯关闭。

图7所示中，控制电路的驱动部分使用的是PNP型三极管放大电路，发射极正相偏置，集电极反向偏置同时满足才能导通。此放大电路的发射极连接了+5V的电源，所以只要基极小于4.3V就可以令三极管导通。

3.7整体电路设计

整体硬件电路如图8所示，硬件电路包括：光电检测电路，晶振电路，液晶显示电路，计时电路，按键电路，路灯控制电路。

将前面介绍的电路加以组合，得到整个硬件电路的原理图，如图8所示。

4.系统仿真

利用protues软件进行系统仿真，在仿真中，通过调节光电检测电路的滑动变阻器来模拟光照的强弱加上按键电路的时间变化，来调节路灯的开通与关断。

如图9所示，在天亮的时候由于光照很强，光敏电阻处于低电阻状态，总电压+5V不变，光敏电阻分压减少，LM393同相输入端大于反向输入端，则1号引脚输出高电平，输出管截止，P2.1号引脚为高电平，表示此时光线满足日常照明要求，单片机发出信号，置位P1.0，P1.1，P1.2，P2.2，P2.3：五个路灯控制端口为11111，使驱动电路不工作，不开启路灯。

如图10所示，在凌晨时由于行人较少，可以关闭部分路灯，置位PI.O，PI.1，P1.2，P2.2，P2.3五个控制口为01010。每隔一个路灯打开，以达到节能环保目的。

如图11所示，在定时器18：30：00以后，光照强度较弱，光敏电阻处于高电阻状态，而总电压+5v不变，光敏电阻分压增加，导致LM393同相输入端低于反向输入端，则l号引脚输出低电平，输出管饱和，P2.1号引脚为低电平，表示此时光线达不到日常照明要求，单片机发出信号，将PI.O，PI.1，P1.2，P2.2，P2.3五個路灯控制端口置为00000，使驱动电路导通，开启路灯。

5.结论

本系统通过光电检测电路接受外部光照强度，把光信号转换为电信号送给单片机。根据光信号的强弱或定时时间和当前时间比较的结果，单片机发出信号智能打开和关闭路灯。本系统操作简单直接，但是功能有限，在今后的研究中将增加红外感应模块、声控模块和亮度调节模块，令路灯更加智能。